전력용 콘덴서를 설치하면 역률이 개선되는 원리는 무엇인가요?

Question

전기기사에서 역률 개선 문제를 풀다 보면 전력용 콘덴서 용량을 구하는 문제가 자주 나오는데, 공식은 외우더라도 실제 원리가 잘 이해되지 않습니다. 공장이나 건물에는 전동기, 변압기 같은 유도성 부하가 많아서 역률이 낮아진다고 하는데, 왜 이런 부하들은 무효전력을 많이 필요로 하는지 궁금합니다. 역률이 낮으면 같은 유효전력을 사용해도 전류가 커진다고 하는데, 이것이 전선 손실, 전압강하, 변압기 용량, 전기요금과 어떻게 연결되는지도 알고 싶습니다. 또한 콘덴서를 설치하면 진상 무효전력을 공급해서 지상 무효전력을 보상한다고 하는데, 이 표현이 구체적으로 어떤 의미인지 궁금합니다. 콘덴서를 너무 많이 설치하면 진상역률이 되어 오히려 문제가 생긴다고 하는데, 과보상 시 어떤 문제가 생기는지도 알고 싶습니다. 실제 설비에서는 콘덴서를 부하 가까이에 설치하는 것이 좋은지, 저압반이나 변압기 2차측에 일괄 설치하는 것이 좋은지도 자세히 알고 싶습니다.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

유도성 부하의 자기장 형성에 필요한 지상 무효전력을 콘덴서의 진상 전류가 상쇄해 역류를 높이는 원리예요. 역률이 좋아지면 전류가 줄어 전력 손실과 전압강하가 예방되고 설비 용량에 여유가 생기지만, 과보상 시 페란티 현상으로 전압이 과하게 상승할 수 있으니 주의해야합니다. 보통 전력 손실 절감 효과를 극대화하려면 변압기 2차측보다는 부하에 최대한 가깝게 개별 설치하는 것이 가장 효율적입니다.

Answer 2

안녕하세요. 최광민 전기기사입니다.

결론부터 말씀드리면 전력용 콘덴서는 유도성 부하가 필요로 하는 지상 무효전력을 용량성 무효전력으로 보상하여 전원에서 공급해야 하는 무효전력을 줄이고, 그 결과 역률을 개선하는 장치입니다. 전동기나 변압기 같은 유도성 부하는 자기장을 만들어야 동작합니다. 이 자기장을 만드는 데 필요한 전류는 실제 일을 하는 유효전류가 아니라 에너지를 저장했다가 다시 돌려보내는 성격의 무효전류입니다. 이 때문에 전압보다 전류가 늦게 흐르는 지상역률이 됩니다. 역률이 낮다는 것은 공급된 피상전력 중 실제 일을 하는 유효전력의 비율이 낮다는 뜻입니다. 같은 100kW를 사용하는 부하라도 역률이 낮으면 더 큰 전류가 필요합니다. 전류가 커지면 전선에서 발생하는 I제곱R 손실이 증가하고, 전압강하가 커지며, 변압기와 차단기, 케이블의 여유 용량도 줄어듭니다. 전력회사 입장에서도 더 큰 설비 용량을 준비해야 하므로, 일정 규모 이상 수용가에서는 역률에 따라 요금상 불이익이나 보상이 적용될 수 있습니다. 콘덴서는 전동기와 반대 성질을 가집니다. 콘덴서는 전류가 전압보다 앞서는 진상 무효전력을 공급합니다. 유도성 부하가 요구하는 지상 무효전력과 콘덴서가 공급하는 진상 무효전력이 서로 상쇄되면 전원에서 공급해야 할 무효전력이 줄어듭니다. 그러면 전체 전류가 감소하고 역률이 개선됩니다. 실기에서는 개선 전 역률각과 개선 후 역률각의 탄젠트 차이를 이용해 필요한 콘덴서 용량을 구합니다. 다만 콘덴서를 너무 많이 설치하면 무효전력을 과도하게 보상하여 진상역률이 될 수 있습니다. 진상역률은 계통 전압 상승, 변압기 과여자, 보호장치 오동작, 발전기 전압 조정 문제를 일으킬 수 있습니다. 또한 계통의 인덕턴스와 콘덴서가 특정 주파수에서 공진하면 고조파 전류가 증폭되어 콘덴서 소손이나 퓨즈 용단이 발생할 수 있습니다. 설치 위치는 목적에 따라 다릅니다. 부하 가까이에 설치하면 해당 구간의 전류까지 줄일 수 있어 손실과 전압강하 감소 효과가 큽니다. 다만 유지보수와 제어가 복잡해질 수 있습니다. 저압반이나 변압기 2차측에 일괄 설치하면 관리가 쉽지만, 말단 회로의 전류 감소 효과는 제한적일 수 있습니다. 따라서 실제 설비에서는 부하 특성, 운전 패턴, 고조파 여부, 자동역률조정기 사용 여부를 고려해 적정 용량과 위치를 선정해야 합니다.